作者：史生才（中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)）

你聽說過太赫茲嗎？你能想象到比手機(jī)信號的頻率高出1000倍是什么概念嗎？這么高的頻率波段究竟有什么用呢？

2016年12月13日凌晨，國際權(quán)威科學(xué)期刊《自然》新創(chuàng)辦的子刊《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）正式上線，其創(chuàng)刊的首篇，發(fā)表了中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)科學(xué)家等在南極的最新觀測研究成果，揭示了南極冰穹A（Dome A）具有在地球上開展常規(guī)太赫茲遠(yuǎn)紅外天文和大氣觀測的獨(dú)一無二的窗口，是地球上條件最優(yōu)異的天文觀測臺(tái)址和天文研究長遠(yuǎn)發(fā)展的珍稀資源。

看到這里，你是不是還一臉懵懂？別著急，接著往下讀。

太赫茲及遠(yuǎn)紅外頻段

——“高冷”的前沿電磁譜段

太赫茲及遠(yuǎn)紅外頻段位于毫米波與光波之間，頻率約從0.3至15THz（對應(yīng)的波長為1毫米至20微米），是手機(jī)頻率的1000倍以上，是天文學(xué)有待全面研究的“新”電磁譜段。

這一譜段可是令科學(xué)家們心向往之的所在，因?yàn)樗辛擞钪娼话氲墓庾幽芰浚钦谛纬呻A段的冷暗天體的輻射、早期遙遠(yuǎn)天體發(fā)光被星際塵埃吸收后的輻射功率譜的峰值所在譜段，也是大量的星際分子轉(zhuǎn)動(dòng)譜線與原子精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線（俗稱“指紋譜”）集中的譜段。

太赫茲及遠(yuǎn)紅外頻段具有穿透星際塵埃觀測光學(xué)不可見天體的能力。它在如宇宙生命環(huán)境和極高紅移早期宇宙研究等當(dāng)代天文學(xué)前沿領(lǐng)域中具有特別重要的作用。

然而，地球大氣中的水蒸氣會(huì)強(qiáng)烈吸收太赫茲及遠(yuǎn)紅外電磁輻射，導(dǎo)致地球上絕大部分區(qū)域在這一電磁譜段均不透明，因此地球上大部分地區(qū)都無法實(shí)現(xiàn)該頻段的常規(guī)天文觀測。即使是位于智利安第斯山脈阿塔卡馬（Atacama）沙漠海拔5000米以上高原的世界最強(qiáng)大毫米波亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡ALMA，也因臺(tái)址條件限制只能在1THz以下頻段開展常規(guī)觀測。

迄今為止，太赫茲及遠(yuǎn)紅外頻段的有限天文觀測主要依賴于空間望遠(yuǎn)鏡（如Herschel）或機(jī)載望遠(yuǎn)鏡（如SOFIA），但望遠(yuǎn)鏡口徑、觀測時(shí)間等都受到一定的限制。為建設(shè)更大口徑太赫茲望遠(yuǎn)鏡（或陣列），實(shí)現(xiàn)更高空間分辨率及更長周期觀測，天文學(xué)家一直渴望在地球上找尋一處適合太赫茲和遠(yuǎn)紅外觀測的“高冷”之地。

星際介質(zhì)循環(huán)過程及對應(yīng)的太赫茲遠(yuǎn)紅外示蹤分子及原子精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線（Chris Walker提供）

南極冰穹A（Dome A）

——“高冷”的地球“圣地”

南極就是這樣一個(gè)“高冷”之地。

南極，這個(gè)被認(rèn)為是地球上最不適宜人類居住的地方之一，卻一直是天文學(xué)家心里的一方圣地。冰穹A是南極內(nèi)陸冰蓋距海岸線最遙遠(yuǎn)、海拔（4093米）最高的一個(gè)冰穹，且氣溫極低（最低溫度可達(dá)零下80度以下），被稱為“不可接近之極”。

2005年，中國科考隊(duì)實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一次問鼎冰穹A，2009年在那里建成了我國第一個(gè)南極內(nèi)陸科考站——昆侖站。冰穹A這個(gè)直升飛機(jī)都上不去的白色高地，具有“準(zhǔn)空間”的天文觀測條件，以它的“高冷”，被國際天文界廣泛預(yù)測為建設(shè)地面天文望遠(yuǎn)鏡（包括太赫茲、光學(xué)紅外）的最佳臺(tái)址。

冰穹A為中國天文發(fā)展提供了一個(gè)新機(jī)遇，我國天文界適時(shí)提出建設(shè)“中國南極天文臺(tái)”，主要包括一臺(tái)5米太赫茲望遠(yuǎn)鏡和一臺(tái)2.5米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。該計(jì)劃已納入《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012-2030）》。

南極冰穹A站址現(xiàn)場照片（宮雪飛提供）

苛刻的選址指標(biāo)

——大氣可沉降水量及透過率

實(shí)現(xiàn)太赫茲遠(yuǎn)紅外天文觀測對臺(tái)址的要求非常苛刻，其中一個(gè)非常關(guān)鍵的氣象指標(biāo)叫大氣可降水量（Precipitable Water Vapor，簡稱PWV），它指臺(tái)址地表以上到大氣頂部的垂直空氣柱里含有水汽的總數(shù)量，也就是空氣柱中的水分全部凝結(jié)成雨、雪降落到氣柱底部的地表（把空氣擠得一點(diǎn)水分都沒有）所能形成的液態(tài)水深度。

全球PWV的平均值大約是25mm，青藏高原上冬季的PWV為3mm左右，前面提到的ALMA臺(tái)址Chajnantor的典型PWV為1mm，有近25%的時(shí)間低于0.5mm，冬季可觀測到0.9THz，這也是ALMA的最高頻段。而要實(shí)現(xiàn)更高頻率的常規(guī)觀測，就需要更好的觀測臺(tái)址，PWV必須更低。

知道了PWV，借助一定的大氣模型，可以給出一個(gè)臺(tái)址在不同頻率大氣透過率的理論計(jì)算。如下圖，就是模型計(jì)算的ALMA臺(tái)址Chajnantor附近（海拔5100米）PWV為0.25mm、0.5mm以及1.0mm時(shí)的大氣透過率曲線。

模型計(jì)算的海拔約5100米的ALMA臺(tái)址Chajnantor附近不同PWV情形下的大氣透過率曲線。紅、綠、藍(lán)色分別對應(yīng)PWV為0.25mm、0.5mm、1mm的情形。

可以看到，PWV為0.25mm時(shí)在1.0-2.0THz之間有3個(gè)透過率大約為20%的“窗口”，而PWV為0.5mm時(shí)透過率下降到10%，但是PWV達(dá)1.0mm時(shí)，這些“窗口”就幾乎都關(guān)閉了。

測定大氣透過率的關(guān)鍵設(shè)備

——傅立葉分光頻譜儀（FTS）

在太赫茲遠(yuǎn)紅外頻段，基于理論模型的大氣透過率計(jì)算并不十分可靠，因?yàn)檫@些模型中包含一些半經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)。

要評估一個(gè)太赫茲遠(yuǎn)紅外天文臺(tái)址所能觀測的頻率窗口，覆蓋盡可能寬頻段的大氣透過率測量是必不可少的，尤其是對于像冰穹A這樣一個(gè)極冷的臺(tái)址。

太赫茲傅里葉分光頻譜儀（FTS）可以實(shí)現(xiàn)這樣的觀測。中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)與美國哈佛-史密松天體物理中心等合作研制了國際上首例以無人值守工作模式運(yùn)行的超寬帶（0.75~15THz）FTS（見下圖），于2010年1月由第26次中國南極內(nèi)陸科考隊(duì)成功安裝于冰穹A，并投入運(yùn)行。

超寬帶傅里葉分光頻譜儀干涉儀部分照片及校準(zhǔn)裝置示意圖

FTS通過記錄整個(gè)頻段的天空亮度得到天頂處的大氣透過率，并通過長周期連續(xù)觀測得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出臺(tái)址資源的科學(xué)評估。

打開南極“天窗”

探尋來自星星的你

2010-2011年間，F(xiàn)TS在冰穹A以無人值守遠(yuǎn)程遙控模式連續(xù)運(yùn)行了19個(gè)月，積累了系統(tǒng)的大氣透過率觀測資料。分析結(jié)果表明：冰穹A冬季典型的PWV為約100微米，相當(dāng)于兩根人的頭發(fā)絲的直徑，僅為ALMA臺(tái)址Chajnantor冬季典型值的五分之一。

大氣透過率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果明確給出了地面其它臺(tái)址難以開展常規(guī)觀測的太赫茲遠(yuǎn)紅外新窗口（見下圖）。中國南極天文臺(tái)建成后，將開辟地球上獨(dú)一無二的太赫茲波段天文觀測窗口，通過這些新的觀測窗口，天文學(xué)家可以探索恒星及星系的形成過程、星際介質(zhì)的物質(zhì)循環(huán)過程，進(jìn)而理解行星系統(tǒng)的生命起源，在“高冷”的南極冰穹A探尋來自星星的你。

超寬帶傅里葉光譜儀實(shí)測的南極冰穹A大氣透過率年度（a、c為a的局部放大）與冬季（b、d為b的局部放大，并標(biāo)出了重要的分子及原子譜線對應(yīng)位置）統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該插圖的橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為透過率（1即100%通過）。（圖片來自http://www.nature.com/articles/s41550-016-0001）